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数字隔离在电子产品中的应用

数字隔离在电子产品中的应用

当前的电子系统中,往往有很多数字信号和模拟信号需要进行传递,同时要求有很高的电阻隔离特性,实现电子系统与用户之间的隔离,多采用光耦、磁隔离和电容隔离来实现,但其功耗、速度、隔离电压等方面往往不能达到最优。针对隔离产品市场,Silicon Labs公司推出以无线传输来实现信号的隔离和传递,同时在性能方面得到了很大的提升。
本文将重点对数字隔离器的工作原理,产品特点及性能等分别进行介绍,再讲解数字隔离器在电子产品中的部分应用。
 

一、隔离产品的工作原理
1、按照隔离产品的传播方式可以分为光耦隔离、磁隔离和电容隔离,以及Silicon Labs产品中采用的无线隔离。以光耦为例,其传播原理如下:


 
输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出,这就完成了电—光—电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。其优点是信号单向传输,隔离电压高,抗干扰能力强;其缺点也比较明显,速度不会特别快,最高50Mbps,LED功耗较大,工作时间较长LED很容易老化。
2、Silicon Labs以无线的方式实现信号的隔离和传播,下面以Si84xx为例说明其工作原理。


   
说明:左边Input做为信号的输入,将该信号转换为无线射频信号后,右边进行RF接收和处理,并且通过Output将接收的信号进行输出。无线信号的调制频率为2.4GHz左右,不在通讯频率范围。其调制和解调信号如下图:


   
因为采用了无线信号进行信号的传递,信号的转换和传递速度快,数据传递速率可达到150Mbps,尺寸也可以做的很小,功耗非常低,传播时间短,隔离电压非常高。由于是无线进行信号传递,容易造成电磁干扰。

二、Silicon Labs隔离产品分类及特点
1, Silicon Labs隔离产品,大致可分为三类,数字隔离,隔离门级驱动,电流隔离传感,如下:
 


 
2, 产品特点。Silicon Labs隔离产品具有功耗低、速度快、传播延迟短等优点,是业界速度最快,集成度最高的隔离器。最高速度达到150Mbps,一个IC最高能集成6通道,隔离电压可达到5KV,共模瞬态抗扰度(CMTI)高,大于25KV/uS;EMI方面,符合IEC 61000-4-8 和 IEC 61000-4-9标准。
3, 数字隔离可供选择的产品非常多,有单向、双向及混合型的隔离产品,单通道和多通道的产品均有,如下。
 

4, 产品的隔离性能很好,其参数如下。

三、Silicon Labs隔离产品的性能及应用

1, Silicon Labs隔离产品能消除地线回路的问题,实现不同电压的传送,增加共模抑制比等。

 

A, 消除地线回路应用


B, 实现电压传送应用

 C, 增加共模抑制比应用


D, 使逻辑电平兼容应用

 
2, Silicon Labs隔离产品在工业领域中的应用
 

A,隔离ADC数据

 

  特点是在高压电路中传送低压信号,消除地线回路,抑制共模噪声,低延时,高速度,可靠性高。

 B,工业通讯隔离

 

 能实现现场总线,器件总线,控制总线的隔离,能是用户和系统之间进行保护和隔离,传输速度快而且可靠性高。

3, Silicon Labs隔离产品Si8405等能实现I2C的双向隔离,比光耦减少1/3空间,支持35mA开路输出,外围电路仅需要两个电阻和电容,支持时钟速度达1.7MHz。


 
在传统的I2C通讯隔离中,需要将两套单向的隔离器件重复使用,才能将信号双向信号(比如Data)进行有效的隔离。

4, Silicon Labs隔离产品在能源系统中的应用,典型的有开关电源,灯光照明,逆变器,马达控制等等,在系统的应用机会如下:


 

Silicon Labs的数字隔离器件,具有速度高、隔离电压高、功耗低、可靠性高的特点,能很好的应用于电子产品中,并且可供选择的产品类型众多。在电子系统的应用中,Silicon Labs的数字隔离器件能很好地消除地线回路,增加共模抑制比,通讯数据隔离。

目前,Silicon Labs授权代理商世强电讯可以提供Si84xxISO开发板、分布供电参考设计、IBIS 模型等。

 

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